磁路及其分析方法.ppt

1,第6章 磁路与铁心线圈电路,甄 洁,2,第6章 磁路与铁心线圈电路,6.3 变压器,6.4 电磁铁(自学),6.1 磁路及其分析方法,6.2 交流铁心线圈电路,3,2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；,4.了解三相电压的变换方法和原、副绕组常用的连接 方式；,本章要求：,第6章 磁路与铁心线圈电路,1. 理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；,4,6.1 磁路及其分析方法,1 磁感应强度,磁感应强度:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量, 磁感应强度是矢量,用 B 表示。,磁感应强度的大小: 用该点磁场作用于1m长,通有 1A 电流且垂直于该磁场的导体上的力 F 来衡量，即 B=F/(l I)。,磁感应强度的方向: 电流产生的磁场,B 的方向用右手螺旋定则确定；,6.1.1 磁场的基本物理量:磁感应强度、 磁通、 磁场强度、磁导率等。,永久磁铁磁场，在磁铁外部，B 的方向由N极到S极。,5,2 磁通,磁通：磁感应强度 B与垂直与该磁场方向的面积S的 乘积，称为通过该面积的磁通，用表示,即 =BS 或 B= /S,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,磁感应强度的单位:,国际单位制:特斯拉(T) T=Wb/m2 (韦伯/米2),电磁制单位:高斯(Gs) 1T=104 Gs,磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。简称磁密。,6,磁通的单位：,3 磁场强度,磁场强度H ： 计算磁场时所引用的一个物理量。,国际单位制:韦伯(Wb) Wb=伏秒,电磁制单位:麦克斯韦(Mx) 1Wb=108 Mx, 借助磁场强度建立了磁场与产生该 磁场的电流之间的关系。, 磁场强度方向与产生磁场的电流方向之间符合右手螺旋定则。,单位：国际单位制:安每米（A/m) 电磁制单位:奥斯特（Oe） 1 A/m=410-8 Oe,7,真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,4 磁导率,磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导 磁能力,用符号 表示。 、B、H的关系为,相对磁导率： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比 值，用r 表示。,磁导率的单位：亨/米（H/m）,8,根据上述有,可见，相对磁导率也就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度与在同样电流值下真空时该点的磁感应强度之比值。,9,在物质的分子中，由于电子环绕原子核运动和本身自转运动而形成分子电流，相应产生分子电流磁场。由于不同物质的分子电流磁场的属性不同，使物质呈现为磁性物质和非磁性物质。,6.1.2 磁性材料的磁性能,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。在此主 要介绍其磁性能。,10,磁性物质 磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在 的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列 整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。 在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴 排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外 磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁 化。即磁性物质能被磁化。,磁 畴,非磁性物质没有磁畴结构，不具有磁化特性。,外 磁 场,11,1 高导磁性,磁性材料的 r1 ,可达数百、数千、乃至数万 之值。能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。 磁性材料在外磁场作用下,磁畴转向与外磁场相 同的方向，产生一个很强的与外磁场同方向的磁化 磁场，磁性物质内的磁感应强度大大增加，即磁性 物质被强烈的磁化。磁力线集中于磁性物质中通过。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备 中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放 有铁心。实现用小的励磁电流产生较大的磁通和磁 感应强度。,12,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度达到饱和值。如图。,2 磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B 为BJ曲线和B0直线的纵坐标 相加即磁场的 B-H 磁化曲线。,13, B-H 磁化曲线的特征 Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。, 有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，磁性物质的磁导率不是常数， 随H而变，如图。, 有磁性物质存在时， 与I不成 正比。, 磁性物质的磁化曲线在磁路计算 上极为重要，其为非线性曲线，实际 中通过实验得出。,14,3 磁滞性,当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）时，铁心受到交变磁化。在电流变化一次时，磁感应强度B随磁场强度H而变化，变化关系如图。,磁滞性：磁性物质中，当 H 已减 到零时 B 并未回到零，这种磁感 应强度滞后于磁场强度变化的性 质称为磁性物质的磁滞性。,磁滞回线：在铁心反复交变磁化 的情况下，表示 B 与 H 变化关系 的闭合曲线 1234561 （如图）称 为磁滞回线。,15,剩磁感应强度（剩磁）：当线圈中电流减到零值（即H=0）时铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失。这时铁心中保留的磁感应强度称为剩磁感应强度 Br（剩磁）如图。,矫顽磁力：如果要使铁心的剩磁消失，通常改变线圈中的励磁电流方向，也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化。使B=0的 H 值称为矫顽磁力HC(如图)。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,16, 几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： （1）软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。 （2）永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 （3）矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,18,6.1.3 磁路的分析方法,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律,环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率 为， 试计算线圈内部 的磁通 。,【解】根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为 l，则有,一、引例,19,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,二、磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则,即有：,此即磁路的欧姆定律。,20,三、 磁路与电路的比较,1、形式比较,21,2、磁路分析的特点,（1）在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,（2）在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,（3）磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，它只能用于定性分析；,（4）在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,（5）磁路的基本物理量单位较复杂，学习时应注意。,22,磁路的分析计算,主要任务: 预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI ， 确定线圈匝数和励磁电流。,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成， 则基本公式为：,即,23,基本步骤: （由磁通 求磁通势F=NI ）,（1）求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：,（2）求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( H i) ,求B1， B2 ，相对应的 H1， H2 ，。,（3）计算各段磁路的磁压降 （Hi li ）,（4）根据下式求出磁通势（ NI ）,24,【例1】一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300， 铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流； (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,【解】,（1）用铸铁材料，B=0.9 T 时,据磁化曲线， 查出磁场强度 H=9000 A/m，则,（2）用硅钢片材料，B=0.9 T 时,据磁化曲线， 查出磁场强度 H=260 A/m，则,25,分析本例：,（1）由于所用铁心材料的不同，要得到同样的磁感应强度，则所需要的磁通势或励磁电流的大小相差较大。因此，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量大为降低。,（2）在上面两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A ,则铁心中的磁场强度是相等的,都是260 A/m。 从磁化曲线可查出，铸铁时 B=0.05T, 硅钢片时 B=0.9T, 两者相差17倍,磁通也相差17倍,如要得到相同的磁通，则铸铁铁心的截面积必须增加17倍，因此，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。,26,根据对铁心线圈通入的电流不同 铁心线圈可分为：直流铁心和交流铁心。,直流铁心：通入恒定电流，产生恒定磁通，不产生 感应电动势。 电压一定的情况下，线圈中的电流只和 线圈本身电阻R有关。 功率损耗：I2R,6.2 交流铁心线圈电路,27,6.2.1 电磁关系,交流铁心线圈电路如图，主要分析其电磁关系、电压电流关系及功率损耗等。,基本关系,（磁通势）,主磁通 ：产生的磁通中,通过铁心闭合的部分,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的部分,漏磁电感,28,漏磁电感为常数,漏磁通主要经过空气隙或非磁性物质，励磁电流 i与漏磁通之间可认为成线性关系，铁心线圈的漏磁电感为常数，即有,铁心线圈为非线性电感元件,主磁通通过铁心，励磁电流 i与主磁通 之间是非线性关系，主磁电感 L随励磁电流 i 而变化，如图。,29,6.2.2 电压电流关系,瞬时值形式,其中：R 为铁心线圈电阻，,L 为漏磁电感，,30,相量形式,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,其中：R 为线圈电阻；,X= L 漏磁感抗,主磁感应电动势,漏磁感应电动势,31,主磁感应电动势,设主磁通 则,幅值,有效值,32,分析可知：,电源电压 分三个分量：,由于线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势相比可以忽略，故有,其中：Bm 铁心中磁感应强度的最大值，单位T； S 铁心截面积，单位m2。,33,6.2.3 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,一、铜损（PCu）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损，用PCu 表示。,PCu = RI2,其中：R 线圈电阻；I 线圈中通过的电流。,二、铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,+,u,i,34,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗（Ph）, 磁滞损耗的大小： 交变磁化一周 在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。, 磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等其磁滞损耗较低。,35,（2）涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的铁损。,涡流： 交变磁通在铁心内产生感应电动势和感应电流，其感应电流称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。, 涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成（如图），把涡流限制在较小的截面内。,36,综合上述，铁心线圈交流电路的有功功率为：, 铁损几乎与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比，因此 Bm不宜选的过大，一般取 0.81.2T。,6.2.4 交流铁心线圈的等效电路,用一个不含铁心的交流电路来等效替代铁心线圈交流电路。,等效条件：在同样电压作用下，功率、电流及各量之间的相位关系保持不变。,37,等效电路的求取,(1) 将实际铁心线圈的线圈电阻R、漏磁感抗X分出，得到用理想铁心线圈表示的电路；,实际铁心线圈电路,理想铁心线圈电路,线圈电阻,漏磁感抗,38,(2) 理想铁心线圈的等效电路 理想铁心线圈有能量的损耗和储放，用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。其中：电阻R0是和铁心能量损耗(铁损)相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感抗。其参数为：,式中： PFe为铁损， QFe为铁心储放能量的无功功率。,故有：,39,【例1】有一交流铁心线圈，电源电压 U= 220 V电路中电流 I=4 A，功率表读数P=100W，频率f=50Hz，漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1)铁心线圈的功率因数；（2）铁心线圈的等效电阻和感抗。,【解】,(1),(2) 铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻为,等效感抗为,40,【例2】 要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U= 220 V，频率 f=50Hz ，今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91 (一般取0.90.93)。（1）如取 Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少? (2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,【解】,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图，B=1.2T时,=700 /，则,41,6.3 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,（电能损耗小）,节省金属材料 （经济）,概述,42,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,43,1. 结构,作用：构成磁路,6.3.1 变压器的工作原理,单相变压器,N1,作用：构成电路,一、结构和分类,原绕组,44,变压器的结构,45,二、变压器的工作原理,原、副绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合,+,+,46,1. 电磁关系,二、变压器的工作原理,原边接交流电 源,副边开路。,(1)空载运行情况,空载时，铁心中主磁通是由原绕组磁势产生的。,47,1. 电磁关系,二、变压器的工作原理,原边接交流电 源,副边接负载。,(2)带负载运行情况,有载时，铁心中主磁通是由原、副绕组磁势共同产生的合成磁通。,48,2. 电压变换（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,(1) 原、副边主磁通感应电动势,49,根据KVL：,对原边，变压器原边等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,(2) 原、副边电压,式中 R1 为原绕组的电阻; X1=L1 为原绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,50,对副边，根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,式中 R2 为副绕组的电阻; X2=L2 为副绕组的感抗； 为副绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压器空载电压。,故有,51,三相电压的变换,1) 三相变压器的结构,高压绕组： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组： a-x b-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联接方式,联接方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,52,（1）三相变压器Y/Y0联接,线电压之比：,53,（2）三相变压器Y0/联接,线电压之比：,54,3. 电流变换,(原副边电流关系),有载运行,可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有,不论变压器空载还是有载，原绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,由上式，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,+,55,或：,结论：原、副边电流与匝数成反比。,或：,1.提供产生m的磁势,磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,56,4. 阻抗变换,由图可知：,结论： 变压器原边的等效阻抗模，为副边所带负载的阻抗模的K 2 倍。,57,(1) 变压器的匝数比应为：,【解】,【例1】如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: （1）当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,58,信号源的输出功率：,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,59,6.3.2 变压器的外特性与效率,一